ES2989689T3 - Quality control method for regulating the operation of an electromechanical device, for example, an EBM device, in order to obtain certified processed products. - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para regular el funcionamiento de un aparato electromecánico (1), por ejemplo un aparato EBM, con el fin de obtener productos procesados certificados, en el que se prevé una etapa de calibración inicial destinada a comprobar el correcto funcionamiento de todos los componentes del aparato (1) estructurados para garantizar la funcionalidad completa y una etapa de control de calidad posterior realizada sobre los productos obtenidos mediante el proceso de trabajo realizado. El método implica las siguientes etapas: -definir una pluralidad de parámetros de medición relacionados con los componentes del aparato; -medir al menos algunos de dichos parámetros mediante sensores y/o indicadores de medición relacionados con dichos parámetros durante al menos una fase de procesamiento realizada por el aparato; -realizar una etapa de control de calidad sobre los productos obtenidos después del proceso de trabajo obteniendo datos sobre cualquier desviación de la calidad esperada; -comparar las mediciones detectadas de dichos parámetros y los datos sobre cualquier desviación de la calidad esperada con los valores correspondientes de los parámetros de referencia disponibles para ese aparato específico y para esos productos; -detectar cualquier desviación en uno o más de dichos parámetros o dichos datos con respecto a los valores de los parámetros de referencia; - calcular, a partir de dichas diferencias, un valor total de corrección y regulación; - aplicar dicho valor total de corrección y regulación preferentemente a sólo uno de dichos parámetros antes del proceso posterior, por ejemplo a la energía de generación del haz de electrones (3). Básicamente, el método de la presente invención permite obtener productos semiacabados libres de defectos estructurales mediante una comprobación primaria del correcto funcionamiento de los diversos componentes del aparato (procedimiento de calibración), una comprobación secundaria de la eficacia operativa del propio proceso (procedimiento de calificación operativa) y una comprobación final adicional de la estabilidad y repetibilidad del proceso dentro de una ventana de proceso (calificación del rendimiento). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The invention relates to a method for regulating the operation of an electromechanical apparatus (1), for example an EBM apparatus, in order to obtain certified processed products, in which an initial calibration step is provided for checking the correct operation of all the components of the apparatus (1) structured to ensure full functionality and a subsequent quality control step performed on the products obtained by the work process performed. The method involves the following steps: - defining a plurality of measurement parameters related to the components of the apparatus; - measuring at least some of said parameters by means of sensors and/or measurement indicators related to said parameters during at least one processing phase performed by the apparatus; - performing a quality control step on the products obtained after the work process by obtaining data on any deviation from the expected quality; - comparing the detected measurements of said parameters and the data on any deviation from the expected quality with the corresponding values of the reference parameters available for that specific apparatus and for those products; - detecting any deviation in one or more of said parameters or said data from the values of the reference parameters; - calculating, from said differences, a total correction and regulation value; - applying said total correction and regulation value preferably to only one of said parameters before the subsequent process, for example to the energy of generation of the electron beam (3). Basically, the method of the present invention allows to obtain semi-finished products free of structural defects by means of a primary check of the correct functioning of the various components of the apparatus (calibration procedure), a secondary check of the operational efficiency of the process itself (operational qualification procedure) and a further final check of the stability and repeatability of the process within a process window (performance qualification). (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método de control de calidad para regular la operación de un aparato electromecánico, por ejemplo, un aparato de EBM, con el fin de obtener productos procesados certificados Quality control method for regulating the operation of an electromechanical device, for example, an EBM device, in order to obtain certified processed products.
Campo de aplicaciónScope
La presente invención se refiere a un método para regular la operación de un aparato electromecánico, que es un aparato de EBM, con el fin de obtener productos procesados certificados. The present invention relates to a method for regulating the operation of an electromechanical apparatus, which is an EBM apparatus, in order to obtain certified processed products.
Más particularmente, la invención se refiere al campo de las técnicas y tecnologías de fabricación aditiva. Más específicamente, la presente invención cae dentro del ámbito de la fabricación de objetos tridimensionales partiendo de modelos 3D informatizados, en el campo de fabricación aditiva usando la tecnología de Fusión por Haz de Electrones (EBM). More particularly, the invention relates to the field of additive manufacturing techniques and technologies. More specifically, the present invention falls within the scope of manufacturing three-dimensional objects starting from computerized 3D models, in the field of additive manufacturing using Electron Beam Melting (EBM) technology.
Aún más particularmente, la invención se refiere a un método de validación del proceso de EBM para permitir calificar y certificar la funcionalidad correcta de un aparato o sistema de EBM y de los productos relacionados obtenidos con el mismo. Even more particularly, the invention relates to a method of validating the EBM process to allow qualifying and certifying the correct functionality of an EBM apparatus or system and of the related products obtained therewith.
Técnica anteriorPrior art
La tecnología de EBM (Fusión por Haz de Electrones) permite crear objetos o componentes semiterminados partiendo directamente de polvos metálicos usando un haz de electrones enfocado según los principios de las tecnologías de fabricación aditiva (también llamada “fabricación aditiva”). Esta tecnología se describe por ejemplo en la solicitud de patente PCT N° WO2011/008143 de la empresa sueca Arcam. Los aparatos de EBM generalmente tienen una unidad de alto voltaje que alimenta un cañón de electrones adaptado para generar un haz de electrones que se transporta en el interior de una cámara de trabajo. Todo el conjunto se controla por medios programables adecuados. La tecnología de EBM usa este haz de electrones para sinterizar una cantidad predeterminada de polvo que se extrae de depósitos dedicados y distribuidos en un área de trabajo del aparato de EBM. EBM (Electron Beam Melting) technology makes it possible to create semi-finished objects or components directly from metal powders using a focused electron beam according to the principles of additive manufacturing technologies (also called “additive manufacturing”). This technology is described for example in PCT patent application No. WO2011/008143 by the Swedish company Arcam. EBM devices generally have a high voltage unit feeding an electron gun adapted to generate an electron beam that is transported inside a working chamber. The entire assembly is controlled by suitable programmable means. EBM technology uses this electron beam to sinter a predetermined quantity of powder that is extracted from dedicated deposits and distributed in a working area of the EBM device.
En el interior de la cámara de trabajo, el proceso de producción implica colocar en vacío las capas de polvo del material a ser derretido. Trabajar en vacío también permite trabajar sobre materiales que de otro modo reaccionarían inmediatamente con el oxígeno del aire, produciendo de este modo compuestos indeseables. Inside the working chamber, the production process involves placing the powder layers of the material to be melted in a vacuum. Working in a vacuum also makes it possible to work on materials that would otherwise react immediately with the oxygen in the air, thus producing undesirable compounds.
El proceso que se implementa dentro de un aparato de EBM incluye tres pasos, que se pueden esquematizar de la siguiente manera: The process implemented within an EBM device includes three steps, which can be outlined as follows:
1. Un primer paso de entrada que comprende: 1. A first entry step comprising:
Introducir o cargar archivos acerca de los componentes a ser fabricados para accionar los medios programables dedicados a la fabricación de los productos; Enter or load files about the components to be manufactured to activate the programmable means dedicated to the manufacture of the products;
Insertar los polvos metálicos en el interior de la cámara de trabajo. Insert the metal powders into the working chamber.
2. Un segundo paso de fusión, que implica: - Ajustar la configuración y los parámetros de control de los componentes de software y hardware del aparato de EBM; 2. A second fusion step, which involves: - Adjusting the configuration and control parameters of the software and hardware components of the EBM apparatus;
Formar el vacío en la cámara de fusión; Form vacuum in the melting chamber;
Fusión EBM real; Real EBM fusion;
3. Un tercer paso de salida final, que obtiene el producto terminado. La configuración de la máquina es de primordial importancia, tanto en términos de componentes de hardware como en términos de aplicaciones de software que regulan la ejecución del proceso. 3. A third, final output step, which produces the finished product. The configuration of the machine is of primary importance, both in terms of hardware components and in terms of software applications that regulate the execution of the process.
Para comprender mejor los aspectos de la presente invención, es importante tener en mente que los electrones del cañón de electrones se producen alimentando un filamento de tungsteno con un alto potencial, generado por una unidad de alto voltaje (unidad de HV). Además, con el fin de que sea eficaz, es necesario que el haz de electrones se genere en condiciones de vacío absoluto, con el fin de evitar fenómenos de interacción de los electrones con las moléculas de la atmósfera. In order to better understand the aspects of the present invention, it is important to keep in mind that the electrons of the electron gun are produced by feeding a tungsten filament with a high potential, generated by a high voltage unit (HV unit). Furthermore, in order to be effective, it is necessary that the electron beam be generated under conditions of absolute vacuum, in order to avoid phenomena of interaction of the electrons with the molecules of the atmosphere.
También es esencial que estas condiciones se puedan mantener con estabilidad con el fin de permitir la correcta ejecución del proceso de fusión y repetir procesos de fusión posteriores con garantía de calidad y estabilidad en la producción. It is also essential that these conditions can be maintained with stability in order to allow the correct execution of the fusion process and to repeat subsequent fusion processes with a guarantee of quality and stability in production.
Más específicamente, la estabilidad del proceso está garantizada por ciertos parámetros fundamentales: a) la corriente del filamento, que cuantifica la energía cinética de los electrones emitidos y la consiguiente potencia/velocidad del haz de electrones; b) el grado de vacío del entorno de generación del haz de electrones, tanto en el cañón de electrones como en la cámara de fusión; c) el movimiento del recogedor/distribuidor, es decir, el dispositivo destinado a recoger y distribuir la cantidad correcta de polvo, para obtener una capa uniforme para el paso de fusión; d) la composición o el tema, es decir, el conjunto de información que contiene la configuración y los parámetros de gestión del haz de electrones que regula la energía del haz de electrones según las operaciones a ser realizadas usando el haz de electrones; estas operaciones incluyen, para cada proceso de fusión de las capas de polvo, los siguientes pasos: More specifically, the stability of the process is guaranteed by certain fundamental parameters: a) the filament current, which quantifies the kinetic energy of the emitted electrons and the consequent power/speed of the electron beam; b) the degree of vacuum of the electron beam generation environment, both in the electron gun and in the fusion chamber; c) the movement of the collector/distributor, i.e. the device intended to collect and distribute the correct quantity of powder, in order to obtain a uniform layer for the fusion step; d) the composition or theme, i.e. the set of information containing the configuration and management parameters of the electron beam that regulates the energy of the electron beam according to the operations to be performed using the electron beam; these operations include, for each powder layer fusion process, the following steps:
- calentamiento de polvo, - powder heating,
- fusión de contorno, - contour fusion,
- partes sólidas, - solid parts,
- estructuras de red. - network structures.
e) movimiento de la bandeja desplazadora, que descendiendo asegura el desarrollo y la realización de los productos sinterizados; e) movement of the moving tray, which descends to ensure the development and production of the sintered products;
f) temperatura de la plataforma o placa de trabajo (llamada placa de inicio), medida constantemente para comprobar que la temperatura de fusión de los polvos es constante y conduce a la generación de una fusión uniforme desde el punto de vista microestructural. De hecho, la correcta operación del haz de electrones se controla y regula leyendo la temperatura de la placa de inicio. f) temperature of the platform or work plate (called start plate), constantly measured to check that the melting temperature of the powders is constant and leads to the generation of a uniform fusion from the microstructural point of view. In fact, the correct operation of the electron beam is controlled and regulated by reading the temperature of the start plate.
El proceso de EBM se completa usando algunas unidades auxiliares necesarias para la recirculación y reutilización de la materia prima (es decir, polvos), y para el tratamiento post-proceso de los productos y componentes sinterizados (por ejemplo, la limpieza de los mismos de polvos no agregados). El aparato de EBM está provisto de algunos componentes auxiliares importantes, tales como un aparato llamado Vacío Controlado (CV) que regula el nivel de vacío mediante la introducción controlada de pequeñas cantidades de gas inerte dentro de la cámara, y un software de aplicación de interfaz que asegura la integración y el funcionamiento de todas las partes de la máquina. Es evidente que un aparato de EBM es un sistema electromecánico complejo en el que existen unidades auxiliares necesarias para el movimiento de los componentes del sistema y la materia prima (polvos), así como para el procesamiento posterior de los productos fabricados y para el mantenimiento de todo el aparato. The EBM process is completed using some auxiliary units necessary for the recirculation and reuse of raw material (i.e. powders), and for the post-process treatment of the sintered products and components (e.g. cleaning them from unaggregated powders). The EBM apparatus is provided with some important auxiliary components, such as a so-called Controlled Vacuum (CV) apparatus that regulates the vacuum level by the controlled introduction of small amounts of inert gas into the chamber, and an interface application software that ensures the integration and operation of all the machine parts. It is evident that an EBM apparatus is a complex electromechanical system in which there are auxiliary units necessary for the movement of the system components and the raw material (powders), as well as for the further processing of the manufactured products and for the maintenance of the entire apparatus.
Por ejemplo, la medición de la cantidad de polvo distribuido en el paso (c) se controla leyendo dos sensores colocados a los lados de la placa de inicio. For example, the measurement of the amount of powder distributed in step (c) is controlled by reading two sensors placed on the sides of the start plate.
En su lugar, como parte del paso (d), los parámetros de la composición o tema son responsables de ajustar la energía que debe tener el haz de electrones con el fin de optimizar el proceso de fusión, por ejemplo, en términos de velocidad del haz de electrones o paso de corriente a ser entregada al filamento. De hecho, para que el proceso de fusión sea óptimo y permita la máxima flexibilidad en términos de geometrías que se pueden hacer, el paso del haz de electrones debe ser modulable con precisión solamente dentro de áreas predeterminadas para la realización de líneas de fusión particulares. Instead, as part of step (d), the parameters of the composition or filament are responsible for adjusting the energy that the electron beam must have in order to optimize the fusion process, for example in terms of electron beam speed or current flow to be delivered to the filament. In fact, for the fusion process to be optimal and to allow maximum flexibility in terms of the geometries that can be made, the electron beam flow must be precisely modulable only within predetermined areas for the realization of particular fusion lines.
Las operaciones de movimiento y modulación del haz de electrones se llevan a cabo a través el uso de bobinas magnéticas colocadas a los lados de la columna que transportan los electrones a la cámara de EBM. The electron beam movement and modulation operations are carried out through the use of magnetic coils placed on the sides of the column that transport the electrons to the EBM chamber.
También en lo que respecta a los pasos (e) y (f), con el fin de lograr las geometrías deseadas de los productos a ser sinterizados, además de mover adecuadamente el haz de electrones y modular su energía para permitir una transferencia de energía correcta al polvo, la temperatura de la capa derretida se debería mantener constante para lograr productos uniformes desde el punto de vista de su densidad estructural y sus propiedades físico-químicasmecánicas. Also as regards steps (e) and (f), in order to achieve the desired geometries of the products to be sintered, in addition to properly moving the electron beam and modulating its energy to allow a correct energy transfer to the powder, the temperature of the molten layer should be kept constant to achieve uniform products from the point of view of their structural density and their physical-chemical-mechanical properties.
Además, también el volumen del material a ser derretido afecta a la densidad y las características de los productos obtenidos, y diferentes volúmenes a ser derretidos requieren diferentes energías. Por eso es por lo que también se debe controlar y debe ser constante la cantidad correcta de polvo distribuido en la placa de inicio. Furthermore, the volume of the material to be melted also affects the density and characteristics of the products obtained, and different volumes to be melted require different energies. That is why the correct amount of powder distributed on the starting plate must also be controlled and kept constant.
Obviamente, el fabricante del aparato de EBM proporciona las especificaciones básicas de referencia que ilustran el modo de ejecución de las operaciones desde el inicio del proceso para continuar con el postprocesamiento y el mantenimiento del sistema; todo en un manual dedicado y con cursos de formación. Obviously, the EBM equipment manufacturer provides the basic reference specifications that illustrate how to perform the operations from the beginning of the process to continue with post-processing and system maintenance; all in a dedicated manual and with training courses.
Actualmente, los sistemas de EBM tiene el marcado CE requerido, como cualquier otro producto, para su introducción dentro del mercado europeo. Este proceso de certificación CE implica un procedimiento de instalación y una calificación de maquinaria. No obstante, aunque la funcionalidad del sistema se garantiza inicialmente por el fabricante y verifica en la primera instalación, falta por completo una calificación y certificación de la funcionalidad del proceso de EBM durante las operaciones, esto es, durante muchos pasos de procesamiento que se llevan a cabo cada vez. El impacto de un mal funcionamiento de una o más partes del sistema no se puede discernir actualmente, ni siquiera a posteriori por terceros; además, algunas veces faltan algunos procedimientos de control de las partes del sistema en la documentación proporcionada por el fabricante y también se desconocen las consecuencias de una calibración o configuración del sistema errónea en términos de aceptabilidad del material producido, es decir, ausencia de defectos y/o la correcta fabricación del producto diseñado. Currently, EBM systems have the CE marking required, like any other product, for their introduction into the European market. This CE certification process involves an installation procedure and a machine qualification. However, although the functionality of the system is initially guaranteed by the manufacturer and verified at the first installation, a qualification and certification of the functionality of the EBM process during operations, i.e. during many processing steps carried out each time, is completely missing. The impact of a malfunction of one or more parts of the system cannot currently be discerned, even a posteriori by third parties; furthermore, some control procedures for parts of the system are sometimes missing from the documentation provided by the manufacturer and the consequences of an incorrect calibration or configuration of the system in terms of the acceptability of the produced material, i.e. absence of defects and/or the correct manufacture of the designed product, are also unknown.
Las deficiencias anteriores pueden conducir a algunas desviaciones del proceso durante el paso de fusión real que, si no se calibran correctamente usando pruebas de verificación y ajustes costosos y repetidos de la máquina, pueden dar como resultado la creación de productos no conformes. The above deficiencies can lead to some process deviations during the actual melting step which, if not properly calibrated using costly and repeated verification testing and machine adjustments, can result in the creation of non-conforming products.
Las deficiencias en el control de la funcionalidad del proceso pueden conducir a los siguientes efectos: Deficiencies in process functionality control can lead to the following effects:
- alto porcentaje de residuos en la producción; - high percentage of waste in production;
- aumento de costes y tiempos de fabricación; - increased costs and manufacturing times;
- necesidad de un control frecuente y constante de todos los productos sinterizados; este control también es a menudo difícil y laborioso debido a la libertad constructiva extrema que permiten los sistemas de EBM; - the need for frequent and constant monitoring of all sintered products; this monitoring is also often difficult and laborious due to the extreme constructive freedom allowed by EBM systems;
- necesidad de adoptar tratamientos de recuperación post-fusión de EBM capaces de mitigar algunos defectos de fabricación, tales como el HIP (Prensado Isostático en Caliente). - need to adopt EBM post-melt recovery treatments capable of mitigating some manufacturing defects, such as HIP (Hot Isostatic Pressing).
Todo esto representa un gran inconveniente en términos de productividad que se puede obtener con esta tecnología de fabricación, pero también para su aplicabilidad en áreas en las que respetar la calidad de producción es de fundamental importancia (por ejemplo en el campo médico, aeroespacial, etc.). All this represents a major drawback in terms of the productivity that can be obtained with this manufacturing technology, but also for its applicability in areas where respecting production quality is of fundamental importance (for example in the medical, aerospace, etc. fields).
Con el fin de limitar las consecuencias de estos inconvenientes, el fabricante del sistema de EBM solamente ha proporcionado un protocolo de validación del aparato inicial, vinculándolos a un conjunto específico de configuraciones de la máquina. In order to limit the consequences of these inconveniences, the EBM system manufacturer has only provided an initial device validation protocol, linking them to a specific set of machine configurations.
Aunque en muchos sentidos son ventajosos y susceptibles de mejorar la calidad del proceso en términos de buena calidad de los productos fabricados, estos expedientes sugeridos por el fabricante no permiten remediar las desviaciones de los sistemas de EBM. Although in many ways advantageous and likely to improve the quality of the process in terms of good quality of manufactured products, these expedients suggested by the manufacturer do not allow to remedy deviations of EBM systems.
Paradójicamente, las verificaciones de la correcta calibración y configuración de los parámetros del aparato y sus partes componentes también están sometidas a desviaciones hasta el punto de que estas desviaciones afectan a la calidad de los productos obtenidos, especialmente en el campo médico. Paradoxically, verifications of the correct calibration and configuration of the parameters of the device and its component parts are also subject to deviations to the point that these deviations affect the quality of the products obtained, especially in the medical field.
Por lo tanto, en la actualidad, estos aspectos permanecen indefinidos y se desconoce el saber hacer (know-how) en la base de algunos pasos operativos del aparato, por ejemplo: la conexión entre el cambio de los parámetros y el efecto técnico sobre la máquina y sobre el material producido aún no está formalizado para el usuario del aparato. La técnica anterior propone una solución, descrita en la solicitud de patente de EE. UU. N° US 2015/017054, para intentar mejorar la calidad de la producción obtenible por medio de un aparato de EMB a lo largo del tiempo. No obstante, esta solución se limita a medir corrientes de Foucault en el producto en desarrollo como el único parámetro de control de calidad, pero no comprueba los parámetros de operación del aparato en sí mismo. Therefore, at present, these aspects remain undefined and the know-how underlying some operating steps of the apparatus is unknown, for example: the connection between the change of parameters and the technical effect on the machine and on the produced material is not yet formalized for the user of the apparatus. The prior art proposes a solution, described in US patent application No. US 2015/017054, to try to improve the quality of the production obtainable by means of an EMB apparatus over time. However, this solution is limited to measuring eddy currents in the product under development as the only quality control parameter, but does not check the operating parameters of the apparatus itself.
El problema técnico a ser resuelto es el de idear un método para regular la operación de un aparato electromecánico, del cual todos los aspectos individuales estructurales y funcionales de la calibración no se conocen en detalle, por ejemplo, un aparato de EBM, para obtener productos procesados certificados. The technical problem to be solved is to devise a method for regulating the operation of an electromechanical apparatus, of which all individual structural and functional aspects of calibration are not known in detail, for example, an EBM apparatus, in order to obtain certified processed products.
El método en cuestión debería tener tales características funcionales en cuanto a permitir validar el proceso de fusión de EBM con el fin de calificar y certificar la funcionalidad del mismo de una manera sencilla, eficaz, eficiente y fiable, con un alto grado de seguridad. The method in question should have such functional characteristics as to allow the validation of the EBM fusion process in order to qualify and certify its functionality in a simple, effective, efficient and reliable manner, with a high degree of security.
Otro objeto de la invención debería ser el de cubrir cualquier deficiencia de conocimiento acerca de los efectos de la calibración y de los parámetros del proceso del aparato que permite fabricar los productos tridimensionales a través de la tecnología de EBM. Another object of the invention should be to cover any knowledge gaps concerning the effects of calibration and process parameters of the apparatus that allows manufacturing three-dimensional products through EBM technology.
La técnica conocida propone una solución para mejorar con el tiempo la calidad de la producción que se puede obtener mediante un aparato de EBM. Tal solución se describe en la solicitud de patente de EE. UU. N° US 2015/017054. No obstante, esa solución se limita a detectar corrientes de Foucault en el interior del producto en construcción como un único parámetro para detectar la calidad final y no le importa comprobar otros parámetros de funcionamiento del aparato en sí mismo. The known art proposes a solution to improve over time the quality of the production that can be obtained by means of an EBM apparatus. Such a solution is described in US patent application No. US 2015/017054. However, that solution is limited to detecting eddy currents inside the product under construction as a single parameter to detect the final quality and does not care to check other operating parameters of the apparatus itself.
El documento “ASTM F3055:14a” (2014) describe una Especificación Estándar para la Fabricación Aditiva de Aleación de Níquel (UNS N07718) con Fusión de Lecho de Polvo. ASTM F3055:14a (2014) describes a Standard Specification for Additive Manufacturing of Nickel Alloy (UNS N07718) Using Powder Bed Fusion.
El documento de patente US2015/017054A1 se refiere a un método para producir componentes de manera generativa mediante la construcción capa por capa a partir de un material en polvo mediante la unión de material selectiva de partículas de polvo mediante un haz de alta energía. Patent document US2015/017054A1 relates to a method for generatively producing components by layer-by-layer construction from a powder material through selective material bonding of powder particles using a high-energy beam.
El documento “Mechanical Properties of Laser Beam Melting Components Depending on Various Process Errors” de Kleszczynski et al. (2013) se relaciona con un proceso de Fusión por Haz Láser para la producción de componentes metálicos, en donde los errores de proceso se identifican y documentan usando formación de imágenes de alta resolución. The paper “Mechanical Properties of Laser Beam Melting Components Depending on Various Process Errors” by Kleszczynski et al. (2013) relates to a Laser Beam Melting process for the production of metallic components, where process errors are identified and documented using high-resolution imaging.
El documento “Standardizaron in additive manufacturing: activities carried out by international organizations and projects” de Monzón et al. (2014) presenta un resumen y revisión de las acciones llevadas a cabo con el objetivo de desarrollar nuevos estándares en Fabricación Aditiva. The document “Standardization in additive manufacturing: activities carried out by international organizations and projects” by Monzón et al. (2014) presents a summary and review of the actions carried out with the aim of developing new standards in Additive Manufacturing.
El documento “Influence of selected parameters of Selective Laser Sintering process on properties of sintered materials” de Stwora et al. (2013) se refiere a una investigación sobre la influencia de parámetros de Sinterización Láser Selectiva (SLS), tales como: potencia del láser, distancia del punto, velocidad de barrido y tiempo de exposición sobre la densidad y resistencia a la compresión del material sinterizado. The paper “Influence of selected parameters of Selective Laser Sintering process on properties of sintered materials” by Stwora et al. (2013) refers to an investigation on the influence of Selective Laser Sintering (SLS) parameters such as: laser power, spot distance, scanning speed and exposure time on the density and compressive strength of the sintered material.
El documento de patente US6580959B1 se refiere a un método para controlar remotamente la fabricación de un producto depositando capas de material sucesivas a través de un sistema local de deposición directa de material controlado por realimentación y asistido por láser. Patent document US6580959B1 refers to a method for remotely controlling the manufacture of a product by depositing successive layers of material through a local direct material deposition system controlled by feedback and assisted by laser.
El documento de patente EP2620240A1 se refiere a la formación de un perfil aerodinámico en capas de material depositadas. Patent document EP2620240A1 relates to the formation of an aerodynamic profile in deposited layers of material.
El documento de patente US2014/061167A1 se refiere a la fabricación de capas de haz de electrones usando un control de bucle cerrado monitorizado por electrones de barrido. Patent document US2014/061167A1 relates to the fabrication of electron beam layers using a closed loop control monitored by scanning electrons.
El documento “Microstructure, Texture y Mechanical Property Evolution during Additive Manufacturing of Ti6AL4V Alloy for Aerospace Applications” de Alphons Antonysamy (2012) investiga la influencia de las condiciones de procesamiento en la evolución de la microestructura y la textura y su efecto resultante en las propiedades mecánicas durante la fabricación aditiva con una aleación de Ti6Al4V, usando tres técnicas diferentes, esto es; 1) Proceso de fusión láser selectiva (SLM), 2) Proceso de fusión selectiva por haz de electrones (EBSM) y, 3) Proceso de fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM). The paper “Microstructure, Texture and Mechanical Property Evolution during Additive Manufacturing of Ti6AL4V Alloy for Aerospace Applications” by Alphons Antonysamy (2012) investigates the influence of processing conditions on microstructure and texture evolution and its resulting effect on mechanical properties during additive manufacturing with a Ti6Al4V alloy, using three different techniques, i.e.; 1) Selective Laser Melting (SLM) process, 2) Electron Beam Selective Melting (EBSM) process and, 3) Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process.
El documento de patente US2013/055568A1 se refiere a un método para fabricar un componente en capas de material componente en polvo, el método que comprende derretir y/o sinterizar localmente en capas del material componente suministrando energía con la ayuda de al menos un haz de electrones, en donde la información del material, que caracteriza la topografía del material componente derretido y/o sinterizado, se determina sobre la base de los electrones emitidos. Patent document US2013/055568A1 relates to a method for manufacturing a layered component of powdered component material, the method comprising locally melting and/or sintering layers of the component material by supplying energy with the aid of at least one electron beam, wherein material information, characterizing the topography of the melted and/or sintered component material, is determined on the basis of the emitted electrons.
En resumen, el problema que subyace a la invención es el de idear un método del tipo anterior y adaptado para permitir una validación del proceso de EBM proporcionando procedimientos de control de todas las partes componentes del aparato, definiendo una calibración y ajuste correctos del aparato en sí mismo y evaluando el impacto de un posible mal funcionamiento de una o más partes, tomando acciones correctivas y evitando de este modo la desviación del proceso de EBM. In summary, the problem underlying the invention is to devise a method of the above type and adapted to allow a validation of the EBM process by providing control procedures of all the component parts of the apparatus, defining a correct calibration and adjustment of the apparatus itself and evaluating the impact of a possible malfunction of one or more parts, taking corrective actions and thus avoiding deviation of the EBM process.
Compendio de la invenciónCompendium of invention
La idea de solución subyacente a la presente invención es encontrar un método para regular la operación de un aparato electromecánico, tal como un aparato de EBM, con el fin de obtener productos procesados certificados, del tipo en el que se proporciona un paso de calibración inicial, destinado a comprobar el correcto funcionamiento de todas las partes componentes del aparato adaptado para asegurar la funcionalidad completa del mismo, y un paso de control de calidad posterior llevado a cabo sobre los productos obtenidos mediante el proceso de trabajo llevado a cabo; los resultados del control de calidad de los productos obtenidos proporcionan información acerca de posibles desviaciones de los parámetros de proceso predefinidos y operativamente se toman acciones cambiando preferiblemente un único parámetro relacionado que permita restaurar la calidad de la producción a las especificaciones deseadas y esperadas. The solution idea underlying the present invention is to find a method for regulating the operation of an electromechanical apparatus, such as an EBM apparatus, in order to obtain certified processed products, of the type where an initial calibration step is provided, intended to check the correct operation of all the component parts of the adapted apparatus to ensure the full functionality thereof, and a subsequent quality control step carried out on the products obtained by the work process carried out; the results of the quality control of the products obtained provide information about possible deviations from the predefined process parameters and operationally actions are taken by preferably changing a single related parameter that allows to restore the quality of the production to the desired and expected specifications.
En base a la idea de solución anterior, el problema técnico se resuelve mediante un método para regular la operación de un aparato de EBM para obtener productos procesados certificados, según la reivindicación 1. Based on the above solution idea, the technical problem is solved by a method for regulating the operation of an EBM apparatus for obtaining certified processed products, according to claim 1.
Por lo tanto, la invención se define por la reivindicación 1 y las realizaciones preferidas se definen por las reivindicaciones dependientes. Therefore, the invention is defined by claim 1 and the preferred embodiments are defined by the dependent claims.
El método comprende: The method comprises:
- definir una pluralidad de parámetros de medición con relación a dichas partes componentes del aparato; - defining a plurality of measurement parameters in relation to said component parts of the apparatus;
- medir al menos algunos de dichos parámetros por medio de sensores y/o indicadores de medición acoplados a una unidad de control de aparato y relacionados con dichos parámetros durante al menos una fase de procesamiento realizada por dicho aparato; - measuring at least some of said parameters by means of sensors and/or measurement indicators coupled to an apparatus control unit and related to said parameters during at least one processing phase performed by said apparatus;
- realizar un paso de control de calidad sobre los productos obtenidos después del proceso de trabajo obteniendo datos sobre cualquier desviación de la calidad esperada; - perform a quality control step on the products obtained after the work process by obtaining data on any deviation from the expected quality;
- comparar las mediciones detectadas de dichos parámetros y datos sobre cualquier desviación de la calidad esperada con los valores correspondientes de los parámetros de referencia disponibles para ese aparato específico y para esos productos; - compare the detected measurements of those parameters and data on any deviation from the expected quality with the corresponding values of the reference parameters available for that specific apparatus and for those products;
- detectar cualquier desviación en uno o más de dichos parámetros o dichos datos con respecto a valores de referencia; - detect any deviation in one or more of said parameters or said data from reference values;
- calcular, sobre la base de tales diferencias, un valor de corrección y regulación total; - calculate, on the basis of such differences, a total correction and regulation value;
- aplicar dicho valor de corrección y regulación total a la energía de generación de un haz de electrones de dicho aparato de EBM o a otras partes del sistema. - apply said total correction and regulation value to the electron beam generating energy of said EBM apparatus or to other parts of the system.
La energía de generación del haz de electrones se obtiene de fórmulas para correlacionar los parámetros asociados con las partes componentes del aparato, tales como: The electron beam generation energy is obtained from formulas for correlating the parameters associated with the component parts of the apparatus, such as:
donde: where:
T es la temperatura de la capa derretida; T is the temperature of the molten layer;
E es la energía aplicada al haz de electrones; E is the energy applied to the electron beam;
A es el área de fusión; A is the fusion area;
t es el tiempo de la fusión; t is the fusion time;
I es la corriente del filamento de correlación del haz de electrones; y I is the electron beam correlation filament current; and
V el potencial a través del filamento. V the potential across the filament.
Además, la unidad de control de aparato es capaz de calcular sobre la base de dichas fórmulas, y por medio de un procedimiento automatizado, el tipo de energía a aplicar al haz de electrones para realizar productos procesados correspondientes a un nivel de calidad predeterminado. Furthermore, the apparatus control unit is capable of calculating on the basis of said formulas, and by means of an automated procedure, the type of energy to be applied to the electron beam to produce processed products corresponding to a predetermined quality level.
La regulación de la energía de generación del haz de electrones se lleva a cabo regulando la corriente aplicada al filamento de un cañón de generación electrónica del haz de electrones. Regulation of the electron beam generation energy is accomplished by regulating the current applied to the filament of an electron beam generating gun.
Básicamente, el método de la presente invención permite obtener productos semiterminados libres de defectos estructurales por medio de una comprobación primaria del correcto funcionamiento de las diversas partes componentes del aparato (procedimiento de calibración), una comprobación secundaria de la efectividad operativa del proceso en sí mismo (procedimiento de calificación operativa) en base a un control de calidad específico de los productos obtenidos. Se proporciona una comprobación final adicional de la estabilidad y repetibilidad del proceso dentro de una ventana de proceso (calificación de rendimiento). Basically, the method of the present invention allows to obtain semi-finished products free of structural defects by means of a primary check of the correct functioning of the various component parts of the apparatus (calibration procedure), a secondary check of the operational effectiveness of the process itself (operational qualification procedure) based on a specific quality control of the products obtained. A further final check of the stability and repeatability of the process within a process window is provided (performance qualification).
Cualquier corrección o compensación correctiva de las derivas del proceso se lleva a cabo preferiblemente cambiando un único parámetro relacionado que, en este caso, está representado por la energía de aplicación del haz de electrones del aparato de EBM. Any correction or corrective compensation of process drifts is preferably carried out by changing a single related parameter which, in this case, is represented by the application energy of the electron beam of the EBM apparatus.
Si los resultados de las comprobaciones indican que solamente un parámetro específico tiene una deriva, por ejemplo, un parámetro relacionado con una parte estructural y mecánica del aparato, es posible intervenir solamente sobre esa parte estructural con una recalibración directa. If the results of the checks indicate that only a specific parameter has a drift, for example, a parameter related to a structural and mechanical part of the device, it is possible to intervene only on that structural part with a direct recalibration.
De esta forma, la productividad del sistema de EBM se mejora significativamente en términos de reducción de incumplimientos debidos a ajustes y/o calibraciones incorrectos del sistema, con la consecuente disminución de los costes de producción, se define una ventana de proceso dentro de la cual se respetan y no se cambian las características fundamentales del material fabricado y se hace certificable el proceso y la producción de componentes usando esta tecnología según las regulaciones actuales, por ejemplo, en el campo de la calidad en el campo médico. In this way, the productivity of the EBM system is significantly improved in terms of reduction of non-compliances due to incorrect adjustments and/or calibrations of the system, with the consequent decrease in production costs, a process window is defined within which the fundamental characteristics of the manufactured material are respected and not changed, and the process and production of components using this technology is made certifiable according to current regulations, for example in the field of quality in the medical field.
La invención comprende rasgos adicionales y opcionales, tomados individualmente o en combinación, si es necesario. The invention comprises additional and optional features, taken individually or in combination, if necessary.
Según la invención que se define por la reivindicación 1, el paso de definir la pluralidad de parámetros de medición con relación a las partes componentes del aparato se modifica con el progreso de la vida útil del aparato y también después de la aplicación de dicho valor de corrección y regulación total. According to the invention defined by claim 1, the step of defining the plurality of measurement parameters in relation to the component parts of the apparatus is modified with the progress of the useful life of the apparatus and also after the application of said total correction and regulation value.
Además, el paso de medir dichos parámetros proporciona un control de calidad de los productos obtenidos por medio de dicho al menos un procesamiento llevado a cabo. Furthermore, the step of measuring said parameters provides quality control of the products obtained by means of said at least one processing carried out.
Tal control de calidad incluye al menos las siguientes pruebas en muestras de producto obtenidas del procesamiento: Such quality control includes at least the following tests on product samples obtained from processing:
- Prueba acerca de la correspondencia dimensional L; - Proof of the dimensional correspondence L;
- Pruebas de tracción en la dirección z; - Tensile tests in the z direction;
- Pruebas de tracción en las direcciones x e y; - Tensile tests in the x and y directions;
- Análisis químico completo; - Complete chemical analysis;
- Evaluación de porosidad, discontinuidades o micrografía; - Evaluation of porosity, discontinuities or micrography;
- Análisis visual, adhesivo y de compresión de la red estructural. - Visual, adhesive and compression analysis of the structural network.
También se debería señalar que la fase de medición de al menos algunos de los parámetros se realiza por medio de sensores y/o indicadores de medición montados en el mismo aparato. It should also be noted that the measurement phase of at least some of the parameters is carried out by means of sensors and/or measurement indicators mounted on the same device.
Además, la comparación de las mediciones tomadas a partir de dichos parámetros con los valores correspondientes de los parámetros de referencia se realiza automáticamente mediante una aplicación que reside en la unidad de mando y control de dicho aparato. Furthermore, the comparison of measurements taken from these parameters with the corresponding values of the reference parameters is carried out automatically by an application residing in the command and control unit of said device.
Las mediciones de dichos parámetros y los valores de los parámetros de referencia se almacenan en una parte de memoria asociada a la unidad de mando y control del aparato. The measurements of these parameters and the values of the reference parameters are stored in a memory section associated with the control and command unit of the device.
Rasgos y ventajas adicionales del método de validación del proceso de EBM según la presente invención llegarán a ser evidentes a partir de la siguiente descripción, dada solamente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompañan. Additional features and advantages of the EBM process validation method according to the present invention will become apparent from the following description, given by way of example only with reference to the accompanying drawings.
Breve descripción de los dibujos.Brief description of the drawings.
La figura 1 muestra una vista en bloque esquemática de un aparato electromecánico, tal como un aparato de EBM; La figura 2 muestra un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente los diferentes pasos de un proceso de fusión implementado por el aparato de EBM en la figura 1; Figure 1 shows a schematic block view of an electromechanical apparatus, such as an EBM apparatus; Figure 2 shows a flow diagram schematically illustrating the different steps of a melting process implemented by the EBM apparatus in Figure 1;
La figura 3 muestra un diagrama esquemático que ilustra un equilibrio de energía de un paso operativo del proceso de EBM al que se aplica el método de la presente invención. Figure 3 shows a schematic diagram illustrating an energy balance of an operational step of the EBM process to which the method of the present invention is applied.
Descripción detalladaDetailed description
Si bien se describe de aquí en adelante una realización particular de la presente invención representada en las figuras relevantes, se debería señalar que la invención no se limita a esa realización particular; por el contrario, aclara varios aspectos de la presente invención mientras que el objeto y alcance de la misma están definidos por el alcance de protección de las reivindicaciones adjuntas. While a particular embodiment of the present invention is described hereinafter as represented in the relevant figures, it should be noted that the invention is not limited to that particular embodiment; on the contrary, it clarifies various aspects of the present invention while the object and scope thereof are defined by the scope of protection of the appended claims.
Antes de proceder con la descripción detallada del método según la invención, es necesario comprender la estructura y la operación del aparato electromecánico en el que se implementa el método. En particular, un aparato que opera según la tecnología de EBM y destinado a fabricar productos tridimensionales a partir de polvos metálicos y usando un haz de electrones enfocado según los principios de las tecnologías de fabricación aditiva se describe de aquí en adelante a modo de ejemplo. Before proceeding with the detailed description of the method according to the invention, it is necessary to understand the structure and operation of the electromechanical apparatus in which the method is implemented. In particular, an apparatus operating according to EBM technology and intended to manufacture three-dimensional products from metal powders and using a focused electron beam according to the principles of additive manufacturing technologies is described hereinafter by way of example.
Con referencia particular a la figura 1, el número de referencia 1 ilustra global y esquemáticamente la estructura de un aparato de EBM para la producción de objetos tridimensionales partiendo de modelos 3D informatizados. En el caso específico, es un sistema de fabricación aditiva que usa la tecnología de Fusión de Haz de Electrones (EBM). El aparato 1 trata particularmente, pero no exclusivamente, polvos metálicos tales como polvos de titanio o aleaciones del mismo, tales como Ti6Al4V. With particular reference to Figure 1, reference number 1 illustrates overall and schematically the structure of an EBM apparatus for the production of three-dimensional objects starting from computerized 3D models. In the specific case, it is an additive manufacturing system using Electron Beam Melting (EBM) technology. The apparatus 1 deals particularly, but not exclusively, with metal powders such as titanium powders or alloys thereof, such as Ti6Al4V.
Se debería señalar que el material metálico del polvo no representa de ninguna forma una limitación de los derechos del Solicitante, así como del ámbito de aplicación (biomédico, aeroespacial, etc.) de los objetos obtenidos mediante el proceso de EBM. It should be noted that the metallic material of the powder does not in any way represent a limitation of the Applicant's rights, as well as of the scope of application (biomedical, aerospace, etc.) of the objects obtained through the EBM process.
El aparato de EBM 1 comprende una unidad electrónica programare 100 para el mando y control de los pasos operativos del proceso de producción. La unidad electrónica 100 está provista convencionalmente de interfaces de usuario tales como un teclado y un visualizador, no mostradas en los dibujos en la medida que son convencionales. La unidad 100 también está provista de una placa de procesamiento de datos provista de un controlador electrónico en comunicación bidireccional con un banco de memoria que puede estar a bordo de la placa en sí misma o asociado de otro modo con la unidad de mando y control 100 o en comunicación con la misma. The EBM apparatus 1 comprises a programmable electronic unit 100 for command and control of the operational steps of the production process. The electronic unit 100 is conventionally provided with user interfaces such as a keyboard and a display, not shown in the drawings to the extent that they are conventional. The unit 100 is also provided with a data processing board provided with an electronic controller in bi-directional communication with a memory bank which may be on board the board itself or otherwise associated with or in communication with the command and control unit 100.
También se proporcionan botones de control para la regulación directa de algunas funciones del aparato 1, tales como el paso de arranque o reinicio, o para forzar pasos de regulación operativa predeterminados del ciclo de producción. Control buttons are also provided for direct regulation of some functions of the apparatus 1, such as the start or restart step, or for forcing predetermined operational regulation steps of the production cycle.
Los medios de alto voltaje HV 12 están conectados a la unidad electrónica 100 para la generación de pulsos de emisión de un haz de electrones, esquematizado en las figuras con el número de referencia 3. The high voltage means HV 12 are connected to the electronic unit 100 for the generation of pulses for emission of an electron beam, schematized in the figures with the reference number 3.
El haz de electrones 3 se genera dentro de un cañón de electrones 2 que, similar a un tubo de rayos catódicos, recibe pulsos de alto voltaje entrantes de los medios de generación 12 y produce el haz de electrones 3 dirigido hacia un plano de trabajo 6. The electron beam 3 is generated within an electron gun 2 which, similar to a cathode ray tube, receives incoming high voltage pulses from the generating means 12 and produces the electron beam 3 directed towards a work plane 6.
Más específicamente, el haz de electrones 3 se emite por un sistema de generación de electrones que incorpora un elemento de cristal o un filamento de tungsteno incandescente (no mostrado en la figura). En cualquier caso, este sistema se alimenta por un alto potencial eléctrico o por una corriente que activa los medios de generación 12. Una boquilla (no mostrada en la figura) colocada debajo del elemento de cristal da forma al haz y lo dirige hacia el plano de trabajo 6. More specifically, the electron beam 3 is emitted by an electron generating system incorporating a crystal element or an incandescent tungsten filament (not shown in the figure). In either case, this system is fed by a high electric potential or by a current which activates the generating means 12. A nozzle (not shown in the figure) placed beneath the crystal element shapes the beam and directs it towards the working plane 6.
Dentro del cañón de electrones 2 hay algunas bobinas electromagnéticas 4 que a su vez están conectadas a la unidad electrónica 100 que manda y controla la energización de las mismas para desviar o, mejor, regular la dirección del haz de electrones 3. De hecho, con el fin de obtener las geometrías deseadas de los productos, el haz de electrones 3 se debe mover adecuadamente y modular usando las bobinas electromagnéticas 4 que lo desvían hasta el punto de impacto. Inside the electron gun 2 there are some electromagnetic coils 4 which in turn are connected to the electronic unit 100 which commands and controls the energization of the same to deflect or, better, regulate the direction of the electron beam 3. In fact, in order to obtain the desired geometries of the products, the electron beam 3 must be appropriately moved and modulated using the electromagnetic coils 4 which deflect it to the point of impact.
El aparato 1 comprende una cámara de procesamiento 5 dentro de la cual el extremo libre del cañón 2 termina, por encima del plano de trabajo 6. The apparatus 1 comprises a processing chamber 5 within which the free end of the barrel 2 terminates, above the working plane 6.
En conjunto, dado que el haz de electrones 3 se debe generar en un alto vacío para evitar fenómenos de interacción de los electrones con las moléculas en la atmósfera, el aparato de EBM 1 comprende además los medios de control de vacío 8. Overall, since the electron beam 3 must be generated in a high vacuum to avoid phenomena of interaction of the electrons with molecules in the atmosphere, the EBM apparatus 1 further comprises vacuum control means 8.
La cámara 5 comprende los depósitos 7 y 9 de los polvos metálicos 10 que están dispuestos preferiblemente en lados opuestos con respecto al plano de trabajo 6. Un dispositivo recogedor/distribuidor 11, es decir, un dispositivo destinado a recoger y distribuir la cantidad correcta de polvo 10, se proporciona de manera deslizable a lo largo del plano de trabajo 6 para obtener una capa uniforme para el paso de fusión. The chamber 5 comprises the reservoirs 7 and 9 of the metal powders 10 which are preferably arranged on opposite sides with respect to the work plane 6. A collecting/distributing device 11, i.e. a device intended to collect and distribute the correct quantity of powder 10, is provided in a sliding manner along the work plane 6 to obtain a uniform layer for the melting step.
Los objetos o productos tridimensionales sinterizados por fusión se fabrican en el plano de trabajo 6 partiendo de los polvos metálicos 19 contenidos en los depósitos 7, 9. Three-dimensional fusion-sintered objects or products are manufactured on the work plane 6 from the metal powders 19 contained in the tanks 7, 9.
Tales polvos 10 se recogen y distribuyen por el dispositivo 11 con el fin de obtener una capa a ser derretida siempre uniforme. Un desplazador de nivel 13 está asociado con los planos de trabajo 6 para regular el desarrollo y la fabricación de los productos a través de los movimientos hacia arriba o hacia abajo a lo largo del eje vertical Y, considerando que el plano de trabajo se encuentra en un plano horizontal X. Such powders 10 are collected and distributed by the device 11 in order to obtain a layer to be melted which is always uniform. A level shifter 13 is associated with the work planes 6 to regulate the development and manufacture of the products through upward or downward movements along the vertical axis Y, considering that the work plane is located in a horizontal plane X.
La unidad de mando y control 100 incluye una interfaz de componentes tanto de hardware como de software destinada a gestionar todo el proceso de EBM, así como los pasos del método de la presente invención y las señales de los diversos sensores. The command and control unit 100 includes a hardware and software component interface intended to manage the entire EBM process, as well as the steps of the method of the present invention and the signals from the various sensors.
El software de interfaz asegura la integración y el funcionamiento de todas las partes componentes del aparato 1 por medio de la regulación y el ajuste inicial de una composición de instrucciones de máquina a la que de aquí en adelante también se hace referencia como “tema”, entendiendo por este término el conjunto o paquete de información que contiene los parámetros de gestión del haz de electrones 3 que regulan la energía de generación e impacto según las operaciones a ser realizadas. The interface software ensures the integration and operation of all the component parts of the apparatus 1 by means of the regulation and initial adjustment of a composition of machine instructions which is hereinafter also referred to as “theme”, this term being understood as the set or package of information containing the management parameters of the electron beam 3 which regulate the generation and impact energy according to the operations to be performed.
La unidad electrónica 100 también gestiona los medios de control de vacío 8 que regulan el nivel de vacío en el interior de la cámara 5 mediante la introducción controlada también de pequeñas cantidades de gas inerte. The electronic unit 100 also manages the vacuum control means 8 which regulate the vacuum level inside the chamber 5 by the controlled introduction of small quantities of inert gas.
El método de la presente invención para regular la operación del aparato de EBM 1, con el fin de obtener productos procesados certificados, se describirá ahora en detalle. The method of the present invention for regulating the operation of the EBM apparatus 1, in order to obtain certified processed products, will now be described in detail.
En su forma más general, el método en cuestión incluye los siguientes pasos: In its most general form, the method in question includes the following steps:
1) un procedimiento de calibración IQ: que verifica la correcta operación de todas las partes componentes del aparato necesarias para asegurar la plena funcionalidad del mismo; 1) an IQ calibration procedure: which verifies the correct operation of all the component parts of the device necessary to ensure its full functionality;
2) un procedimiento de calificación operativa OQ: que verifica la eficiencia operativa del proceso de fusión en sí mismo con el fin de definir los límites de ajuste del aparato en sí mismo; 2) an operational qualification procedure OQ: which verifies the operational efficiency of the melting process itself in order to define the adjustment limits of the apparatus itself;
3) un procedimiento de calificación del rendimiento PQ: que verifica la estabilidad y repetibilidad del proceso dentro de una ventana de proceso predeterminada. 3) a performance qualification (PQ) procedure: which verifies the stability and repeatability of the process within a predetermined process window.
En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques resumido de estos pasos, que ejemplifica la evolución de los pasos del proceso de EBM que permite obtener piezas de cualquier forma y geometría a partir de una preparación adecuada de un archivo .abf relativo a la composición o tema a ser desarrollado. Figure 2 shows a summarized block diagram of these steps, which exemplifies the evolution of the steps of the EBM process that allows obtaining pieces of any shape and geometry from an adequate preparation of an .abf file related to the composition or theme to be developed.
Veamos ahora con más detalle los aspectos peculiares de estos procedimientos. Let us now look in more detail at the peculiar aspects of these procedures.
Paso 1) Procedimiento de calibración IQ Step 1) IQ Calibration Procedure
Un proceso de EBM llevado a cabo dentro de un aparato de fusión de EBM usa diferentes archivos, parámetros de hardware y parámetros de software según el tipo de polvo metálico usado, por ejemplo Ti Gr.2 o Ti6Al4V. Con el fin de realizar los programas de producción llevados a cabo en los diferentes tipos de aparatos disponibles, se hace referencia a una serie de instrucciones operativas definidas junto con el fabricante del aparato. An EBM process carried out within an EBM melting apparatus uses different files, hardware parameters and software parameters depending on the type of metal powder used, for example Ti Gr.2 or Ti6Al4V. In order to realise the production programs carried out on the different types of apparatus available, reference is made to a series of operating instructions defined together with the apparatus manufacturer.
En esencia, un procedimiento de calibración IQ se basa en la verificación de que los componentes de hardware y software del aparato 1 están presentes y funcionando, así como que se cumplen, si es necesario, todas las condiciones circundantes (por ejemplo, condiciones ambientales, de seguridad, verificación de cualquier unidad auxiliar, calibración, etc.). In essence, an IQ calibration procedure is based on verifying that the hardware and software components of the device 1 are present and functioning, as well as that all surrounding conditions are met, if necessary (e.g. environmental conditions, safety conditions, verification of any auxiliary units, calibration, etc.).
Más en particular, con el procedimiento de calibración inicial, la funcionalidad de las partes componentes más importantes del aparato 1 se verifica por medio de sensores y/o instrumentos de medición presentes en el aparato en sí mismo. Además, la verificación de los parámetros del proceso de EBM tiene lugar según el criterio de análisis del peor de los casos, definiendo y evaluando las características del producto/proceso en el peor caso operativo identificado y para cada aparato suministrado y para cada material usado por el mismo. More particularly, with the initial calibration procedure, the functionality of the most important component parts of the apparatus 1 is verified by means of sensors and/or measuring instruments present on the apparatus itself. Furthermore, the verification of the EBM process parameters takes place according to the worst-case analysis criterion, defining and evaluating the characteristics of the product/process in the worst operating case identified and for each apparatus supplied and for each material used by it.
Por ejemplo: con el fin de verificar la correcta funcionalidad de las partes componentes principales del aparato 1 y de los elementos móviles, se debe hacer la siguiente verificación: For example: in order to verify the correct functionality of the main component parts of the device 1 and the moving elements, the following check must be made:
- la condición de vacío de la cámara de trabajo 5 se puede detectar por medio de sensores de presión; - the vacuum condition of the working chamber 5 can be detected by means of pressure sensors;
- la temperatura del plano de trabajo 6 y del entorno de proceso se puede detectar por medio de sensores de temperatura; - the temperature of the work surface 6 and the process environment can be detected by means of temperature sensors;
- la corriente aplicada al filamento del cañón electrónico 2 es fácilmente detectable por medio de un sensor de corriente; - the current applied to the filament of the electron gun 2 is easily detectable by means of a current sensor;
- el movimiento de las partes componentes móviles, tales como el dispositivo distribuidor 11 y el desplazador 13 del plano de trabajo, se detecta por medio de sensores de posición. - the movement of the moving component parts, such as the distributor device 11 and the work plane shifter 13, is detected by means of position sensors.
La calibración de los sensores de vacío se comprueba por medio de instrumentos de referencia certificados adecuados; mientras que el movimiento del dispositivo distribuidor 11 y del desplazador 13 se regula de modo que la distribución de las capas de polvo sea uniforme y constante para cada una de las capas fabricadas. The calibration of the vacuum sensors is checked by means of suitable certified reference instruments; while the movement of the distribution device 11 and the displacer 13 is regulated so that the distribution of the powder layers is uniform and constant for each of the layers manufactured.
En particular, las calibraciones se deberían realizar con el fin de verificar que los componentes de HW del proceso de EBM estén calibrados correctamente, y que en consecuencia los valores leídos en la interfaz de SW son verdaderos. In particular, calibrations should be performed in order to verify that the HW components of the EBM process are correctly calibrated, and that consequently the values read on the SW interface are true.
La verificación de la calibración del termopar se debe hacer con sondas de calibración apropiadas conectadas al cable del termopar colocado en contacto con la placa de inicio. La verificación de la calibración de los sensores de vacío se debe hacer conectando una sonda de calibración, por medio de conexiones adecuadas, a lo largo de la línea principal de las turbobombas conectadas al cañón y a la cámara de EBM y de la bomba de respaldo conectada a la cámara de EBM. Thermocouple calibration verification shall be done with appropriate calibration probes connected to the thermocouple wire placed in contact with the starter plate. Vacuum sensor calibration verification shall be done by connecting a calibration probe, through suitable connections, along the main line of the turbo pumps connected to the barrel and the EBM chamber and the backup pump connected to the EBM chamber.
La verificación de la calibración de HV se debe hacer usando un voltímetro calibrado y conectando adecuadamente un adaptador a los terminales de los contactos apropiados. El modo de ejecución de la prueba y las lecturas hechas debe ser según lo que se expone en la especificación de referencia. La calibración del movimiento de la placa de inicio se debe verificar bajando la placa usando la interfaz de software y comprobando que el nivel de descenso corresponde al preestablecido. HV calibration verification should be done using a calibrated voltmeter and properly connecting an adapter to the appropriate contact terminals. The test execution mode and the readings made should be as stated in the reference specification. Calibration of the start plate movement should be verified by lowering the plate using the software interface and checking that the lowering level corresponds to the preset level.
Al hacerlo, se puede demostrar que la configuración real de la máquina corresponde a las condiciones de operación ideales expuestas por el fabricante del aparato 1. By doing so, it can be demonstrated that the actual configuration of the machine corresponds to the ideal operating conditions stated by the manufacturer of the apparatus 1.
También, el haz de electrones 3 está calibrado adecuadamente para estar enfocado en el plano de trabajo 6. Also, the electron beam 3 is suitably calibrated to be focused on the working plane 6.
Las condiciones ideales se pueden identificar en una serie de parámetros o valores de referencia que son parte tanto de los activos del equipo sobre la base de las especificaciones técnicas proporcionadas por el fabricante, como de información derivada de series históricas de procesos ya llevados a cabo que han permitido recoger datos y series estadísticas sobre la configuración del aparato y resultados relacionados de los procesos realizados. Ideal conditions can be identified in a series of parameters or reference values that are part of both the equipment assets based on the technical specifications provided by the manufacturer, and information derived from historical series of processes already carried out that have allowed the collection of data and statistical series on the configuration of the device and related results of the processes carried out.
Estos datos e información de referencia están contenidos en el banco de memoria 12 asociado con la unidad de mando y control 100. Opcionalmente, también se proporciona la revisión documental de la presencia de todos los componentes del aparato 1 especificados por el suministrador así como la documentación con relación a la verificación del correcto montaje de la máquina, para asegurar, al menos tras la primera instalación, que la funcionalidad de la máquina cumple con las especificaciones de venta. These data and reference information are contained in the memory bank 12 associated with the command and control unit 100. Optionally, documentary review of the presence of all the components of the apparatus 1 specified by the supplier is also provided as well as documentation relating to the verification of the correct assembly of the machine, to ensure, at least after the first installation, that the functionality of the machine complies with the sales specifications.
En resumen, las pruebas mínimas a ser realizadas en el paso de calibración se muestran en la siguiente tabla: In summary, the minimum tests to be performed in the calibration step are shown in the following table:
Con estas pruebas, ya es posible recoger un conjunto de datos y valores de algunos parámetros que afectan al correcto rendimiento del proceso de fusión posterior. Estos datos y valores, recuperados posiblemente en forma de rango de valores, se almacenan en el banco de memoria asociado con la unidad de mando y control electrónica 100. Paso 2) Procedimiento de calificación operativa OQ With these tests, it is now possible to collect a set of data and values of some parameters that affect the correct performance of the subsequent fusion process. These data and values, possibly retrieved in the form of a range of values, are stored in the memory bank associated with the electronic command and control unit 100. Step 2) Operational qualification procedure OQ
El procedimiento de calificación operativa tiene como objetivo encontrar una ventana de proceso dentro de la cual se considere óptima la fusión EBM. En otras palabras, tiene como objetivo la identificación de rangos de valores de los parámetros del proceso dentro de los cuales los productos de fusión se consideran que son de buena calidad. The operational qualification procedure aims at finding a process window within which EBM fusion is considered optimal. In other words, it aims at identifying ranges of values of process parameters within which fusion products are considered to be of good quality.
Se cambian los parámetros del proceso de la composición o tema con contundencia para lograr los niveles máximos y mínimos de energía que permitan una correcta fusión de los polvos. The parameters of the composition or theme process are changed forcefully to achieve the maximum and minimum energy levels that allow for correct fusion of the powders.
Para cada una de estas dos configuraciones extremas, o mejor, los extremos del rango de valores en los parámetros del proceso, se realizan muestras o especímenes correspondientes, que posteriormente se caracterizan y prueban para asegurar que en condiciones extremas de uso del sistema, los productos fabricados cumplirán con los requisitos mínimos establecidos. De aquí en adelante, el ejemplo A y el ejemplo B se refieren a los resultados relevantes del proceso de fusión en condiciones extremas de nivel mínimo (A = Baja Energía) y nivel máximo (B = Alta Energía) de la energía de fusión. For each of these two extreme configurations, or better, the extremes of the range of values in the process parameters, corresponding samples or specimens are made, which are subsequently characterized and tested to ensure that under extreme conditions of use of the system, the manufactured products will meet the established minimum requirements. Hereafter, example A and example B refer to the relevant results of the fusion process under extreme conditions of minimum level (A = Low Energy) and maximum level (B = High Energy) of the fusion energy.
El proceso del ejemplo A se usa para comprobar los parámetros que tienen el mayor impacto en la calidad de los productos fabricados, mientras que el proceso del ejemplo B verifica los parámetros que tienen menos importancia, tales como los que regulan el paso del haz de electrones en áreas limitadas o que corrijan las imprecisiones de los mismos. The process in example A is used to check the parameters that have the greatest impact on the quality of the manufactured products, while the process in example B verifies the parameters that are less important, such as those that regulate the passage of the electron beam in limited areas or that correct inaccuracies in the same.
Los requisitos de aceptabilidad de cada prueba se establecen según las regulaciones internacionales, si las hay, o sobre la base de un listado histórico de datos y experiencia de actividades anteriores llevadas a cabo por el Solicitante, si las regulaciones son deficientes. The acceptability requirements for each test are established according to international regulations, if they exist, or on the basis of a historical listing of data and experience from previous activities carried out by the Applicant, if the regulations are deficient.
Aún a modo de ejemplo, las pruebas codificadas se realizan al principio identificando los parámetros con el mayor impacto, e identificando su contribución en el equilibrio de energía. Still as an example, coded tests are performed at the beginning by identifying the parameters with the greatest impact, and identifying their contribution to the energy balance.
Las dos configuraciones de estos parámetros que identifican la energía mínima y máxima liberada durante el proceso de fusión se prueban en una secuencia. Además, los aspectos relacionados con las operaciones del aparato 1, tales como por ejemplo la calidad de los polvos, el rendimiento de la unidad de alto voltaje, la correcta calibración del haz de electrones, el movimiento del dispositivo desplazador y del plano de trabajo, se cubren mediante pruebas específicas e individuales. The two settings of these parameters that identify the minimum and maximum energy released during the melting process are tested in a sequence. In addition, aspects related to the operations of the apparatus 1, such as for example the quality of the powders, the performance of the high voltage unit, the correct calibration of the electron beam, the movement of the displacer device and the work plane, are covered by specific and individual tests.
Con el fin de aplicar el procedimiento de calificación operativa OQ según el método de la presente invención, fue necesario identificar los parámetros críticos y distinguirlos de aquellos que no son críticos, según algunos principios descritos de aquí en adelante. In order to apply the operational qualification procedure OQ according to the method of the present invention, it was necessary to identify the critical parameters and distinguish them from those that are not critical, according to some principles described hereinafter.
En primer lugar, se debe considerar que el método de la presente invención supone que el aparato electromecánico 1 bajo consideración en este caso es un aparato de EBM, que lleva a cabo un proceso de fusión en base a una ley de equilibrio de calor. First of all, it should be considered that the method of the present invention assumes that the electromechanical apparatus 1 under consideration in this case is an EBM apparatus, which carries out a melting process based on a heat equilibrium law.
De hecho, las condiciones de vacío y calentamiento del polvo requieren la observancia de un principio de equivalencia entre el calor liberado por el haz de electrones y el calor disipado a través del material. In fact, the vacuum and heating conditions of the powder require the observance of an equivalence principle between the heat released by the electron beam and the heat dissipated through the material.
Esto normalmente da como resultado la configuración de una potencia promedio del haz de electrones tal como para asegurar un equilibrio correcto de estas cantidades, expresadas en términos de corriente requerida para generar el haz de electrones y usada para las diversas operaciones de fusión, que se pueden distinguir en: calentamiento; fusión de partes sólidas, fusión de contornos y estructuras porosas, o también cualquier paso de calentamiento intermedio, siempre para asegurar el correcto equilibrio de calor. This normally results in the setting of an average electron beam power such as to ensure a correct balance of these quantities, expressed in terms of current required to generate the electron beam and used for the various melting operations, which can be distinguished into: heating; melting of solid parts, melting of contours and porous structures, or also any intermediate heating step, always to ensure the correct heat balance.
La figura 3 muestra esquemáticamente un diagrama del principio de operación de equilibrio térmico compensado que se trata. Figure 3 schematically shows a diagram of the compensated thermal equilibrium operating principle involved.
Más particularmente, este principio debe asegurar el equilibrio térmico para un volumen total de sólido hecho de cualquier forma y tamaño. Además, con el fin de identificar los parámetros críticos, cada parámetro del grupo de parámetros de calibración se ha evaluado por el impacto que tiene sobre el proceso y sobre los rasgos finales de los productos obtenidos por fusión. More particularly, this principle must ensure thermal equilibrium for a total volume of solid made of any shape and size. Furthermore, in order to identify the critical parameters, each parameter of the calibration parameter group has been evaluated for the impact it has on the process and on the final features of the products obtained by fusion.
Como está claro en la figura 3 anterior, el proceso procede con una alternancia de pasos de calentamiento y enfriamiento que afectan a partes predeterminadas de los productos que se van a fabricar. En cualquier caso, el equilibrio general es casi perfectamente equivalente. As is clear from Figure 3 above, the process proceeds with an alternation of heating and cooling steps affecting predetermined parts of the products to be manufactured. In any case, the overall equilibrium is almost perfectly equivalent.
Como ya se explicó anteriormente, el proceso de EBM basa su operación en la creación de un haz de electrones 3 para fusionar los polvos metálicos. Los electrones se enfocan y se mueven a través del uso de bobinas magnéticas 4 situadas en los lados del cañón 2 que transporta el haz de electrones en la cámara procesamiento de fusión o EBM 5. As explained above, the EBM process bases its operation on the creation of an electron beam 3 to fuse the metal powders. The electrons are focused and moved through the use of magnetic coils 4 located on the sides of the gun 2 which transports the electron beam into the fusion processing chamber or EBM 5.
Con el fin de lograr la geometría deseada de los productos, el haz 3 se debe mover adecuadamente y modular su energía para permitir una transferencia adecuada de energía al polvo, para fundirlo y mantener constante la temperatura de la capa derretida, para hacer componentes uniformes desde el punto de vista estructural (densidad) y de propiedades físico-químicas-mecánicas. In order to achieve the desired geometry of the products, beam 3 must be moved appropriately and its energy modulated to allow an adequate transfer of energy to the powder, to melt it and maintain constant the temperature of the molten layer, to make uniform components from the structural point of view (density) and physical-chemical-mechanical properties.
Este proceso se logra a través del uso de una aplicación de SW y componentes de HW, específicamente: This process is achieved through the use of a SW application and HW components, specifically:
- movimiento del dispositivo 11 responsable de la recogida y distribución de la cantidad correcta de polvo, para obtener una capa uniforme a ser fundida. La medición de la cantidad de polvo distribuido se controla leyendo dos sensores colocados a los lados del plano de trabajo 6. - movement of the device 11 responsible for collecting and distributing the correct quantity of powder, in order to obtain a uniform layer to be melted. The measurement of the quantity of powder distributed is controlled by reading two sensors placed on the sides of the work surface 6.
- corriente del filamento del cañón 2, que está vinculada a la energía de los electrones y que se regula según las operaciones realizadas por el haz 3 (que consiste, para cada proceso de fusión de las capas de polvo, en: calentamiento del polvo (a), y fusión de contornos (b), partes sólidas (c) y estructuras de red (d), en este orden). - parámetros de gestión del haz de electrones, contenidos en el paquete de información denominado “Tema” dentro de la aplicación de software de control de EBM. El tema se divide por pasos del proceso (precalentamiento, contorno fusión y red) y controla la energía que debe tener el haz de electrones con el fin de optimizar el proceso de fusión de los componentes fabricados, en términos de haz 3 y velocidad de paso actual. - filament current of gun 2, which is linked to the energy of the electrons and which is regulated according to the operations performed by beam 3 (consisting, for each powder layer melting process, of: powder heating (a), and melting of contours (b), solid parts (c) and network structures (d), in this order). - electron beam management parameters, contained in the information package called “Tema” within the EBM control software application. The Tema is divided by process steps (preheating, contour melting and network) and controls the energy that the electron beam must have in order to optimize the melting process of the manufactured components, in terms of beam 3 and current pass rate.
Por tanto, los parámetros que pueden influir fuertemente en el proceso estarán relacionados con estos aspectos del haz de electrones 3. Therefore, the parameters that can strongly influence the process will be related to these aspects of the electron beam 3.
Con el fin de optimizar aún más que el proceso de fusión permita la máxima flexibilidad al sistema en términos de geometrías alcanzables, se han proporcionado conjuntos de parámetros que mejoran el comportamiento del haz de electrones a nivel local, mejorando y refinando la velocidad de paso en ciertas áreas y para hacer geometrías particulares. In order to further optimize the fusion process to allow maximum flexibility to the system in terms of achievable geometries, parameter sets have been provided that improve the behavior of the electron beam locally, enhancing and refining the passing speed in certain areas and to make particular geometries.
Estos parámetros afectan en menor medida al proceso, en términos de los rasgos finales del producto fabricado. Por lo tanto, se decide dividir los parámetros del tema en críticos y no críticos, y para proporcionar la identificación de los intervalos de uso y pruebas para los primeros para comprobar la calidad del proceso en todo el intervalo identificado de este modo, y para los últimos una prueba de verificación de la optimización hecha al proceso. These parameters have a lesser impact on the process, in terms of the final characteristics of the manufactured product. Therefore, it is decided to divide the parameters of the subject into critical and non-critical ones, and to provide the identification of the intervals of use and tests for the former to check the quality of the process over the entire interval identified in this way, and for the latter a verification test of the optimization made to the process.
Los rangos de parámetros críticos fueron determinados experimentalmente por la experiencia y el saber hacer (know-how) adquiridos a lo largo de los años por el Solicitante, en particular en la fabricación de componentes protésicos con tecnología de EBM. The critical parameter ranges were determined experimentally based on the experience and know-how acquired over the years by the Applicant, in particular in the manufacture of prosthetic components using EBM technology.
Ventajosamente, según la invención, fue posible determinar que cada uno de los parámetros identificados como claves para el proceso afecta a la cantidad de energía entregada por el haz de electrones 3 y esto tiene un impacto directo sobre las características de los productos obtenidos por sinterización y sobre su uniformidad. De hecho, estudios detallados emprendidos durante el desarrollo del aparato y del método según la invención permitieron determinar que la energía del haz 3, en condiciones ambientales iguales (vacío y otras condiciones iniciales), es responsable del nivel de temperatura de la capa derretida. Advantageously, according to the invention, it was possible to determine that each of the parameters identified as key to the process affects the amount of energy delivered by the electron beam 3 and this has a direct impact on the characteristics of the products obtained by sintering and on their uniformity. Indeed, detailed studies undertaken during the development of the apparatus and the method according to the invention made it possible to determine that the energy of the beam 3, under equal environmental conditions (vacuum and other initial conditions), is responsible for the temperature level of the molten layer.
Para cada composición de EBM o tema de fusión, se desarrollaron algunas ecuaciones que cuantifican la energía del haz de electrones usado, en base a los siguientes principios: For each EBM composition or fusion theme, some equations were developed that quantify the energy of the electron beam used, based on the following principles:
donde: where:
T es la temperatura de la capa derretida; T is the temperature of the molten layer;
E es la energía aplicada al haz de electrones; E is the energy applied to the electron beam;
A es el área de fusión; A is the fusion area;
t es el tiempo de la fusión; t is the fusion time;
I es la corriente del filamento de correlación del haz de electrones; y I is the electron beam correlation filament current; and
V el potencial a través del filamento. V the potential across the filament.
Por ejemplo, dependiendo del tipo de tema a ser hecho, es decir, dependiendo del tipo de productos que necesitan ser fabricados, la unidad de control 100 del aparato 1 es susceptible de calcular, por medio de un procedimiento automatizado, el tipo de energía a impartir al haz de electrones para una correcta y eficaz producción de productos procesados certificados. Al hacerlo así, la unidad de control usa fórmulas de correlación entre el voltaje aplicado a los terminales del cañón de electrones 2, la corriente del filamento, la duración de la exposición al haz y la temperatura de la capa derretida. For example, depending on the type of subject matter to be made, i.e. depending on the type of products that need to be manufactured, the control unit 100 of the apparatus 1 is capable of calculating, by means of an automated procedure, the type of energy to be imparted to the electron beam for a correct and efficient production of certified processed products. In doing so, the control unit uses correlation formulas between the voltage applied to the terminals of the electron gun 2, the filament current, the duration of exposure to the beam and the temperature of the molten layer.
Todavía a modo de ejemplo solamente, se usa la siguiente fórmula de correlación para el paso de precalentamiento Still as an example only, the following correlation formula is used for the preheating step
Se usan otras fórmulas de correlación para los otros pasos de fusión reales del cuerpo de los productos o fusión de los contornos o curado de la retícula. Other correlation formulas are used for the other actual body melting steps of the products or contour melting or lattice curing.
Se debería señalar que si se modifica un parámetro de la fórmula de correlación, también es apropiado modificar otros para su compensación. No obstante, de esta forma también es posible definir los límites extremos de la variación de los parámetros con la identificación de un rango de múltiples valores dentro del cual encuentran aplicación la mayoría de los procesos a ser realizados. It should be noted that if one parameter of the correlation formula is modified, it is also appropriate to modify others to compensate for it. However, in this way it is also possible to define the extreme limits of the variation of the parameters by identifying a range of multiple values within which most of the processes to be carried out are applicable.
Por ejemplo, variando los parámetros anteriores entre los valores máximos y mínimos de un rango predeterminado, es posible obtener un nivel de energía de fusión mínimo (ejemplo A) y un nivel de energía de fusión máximo (ejemplo B) aplicados por el haz de electrones sobre la capa de polvo. Los rangos de uso de los parámetros críticos se dan en la siguiente tabla: For example, by varying the above parameters between the maximum and minimum values of a predetermined range, it is possible to obtain a minimum fusion energy level (example A) and a maximum fusion energy level (example B) applied by the electron beam on the powder layer. The ranges of use of the critical parameters are given in the following table:
En la práctica, el procedimiento consiste en preparar el aparato de EBM según las especificaciones y el procedimiento de calibración IQ. Los parámetros del tema a ser hechos se establecen con los valores mostrados en la configuración del “ejemplo A”. En un segundo y posterior paso de procesamiento, los parámetros se establecen a los valores indicados en la configuración del “ejemplo B”. In practice, the procedure consists of preparing the EBM apparatus according to the specifications and the IQ calibration procedure. The parameters of the subject to be made are set to the values shown in the “example A” configuration. In a second and subsequent processing step, the parameters are set to the values indicated in the “example B” configuration.
Los productos obtenidos como resultado de estas configuraciones se someten a una serie de pruebas de calidad para verificar que los resultados de los pasos de producción sean consistentes con los valores indicados por los estándares de referencia y registrados en las ubicaciones dedicadas del banco de memoria asociado con la unidad de control 100 del aparato. Este paso de control final se describirá con más detalle con referencia al tercer paso de calificación de rendimiento. The products obtained as a result of these configurations are subjected to a series of quality tests to verify that the results of the production steps are consistent with the values indicated by the reference standards and recorded in the dedicated locations of the memory bank associated with the control unit 100 of the apparatus. This final control step will be described in more detail with reference to the third performance qualification step.
Estas pruebas de calidad son: These quality tests are:
- Prueba acerca de la correspondencia dimensional L; - Proof of the dimensional correspondence L;
- Pruebas de tracción en la dirección z; - Tensile tests in the z direction;
- Pruebas de tracción en las direcciones x e y; - Tensile tests in the x and y directions;
- Análisis químico completo; - Complete chemical analysis;
- Evaluación de porosidad, discontinuidades o micrografía; - Evaluation of porosity, discontinuities or micrography;
- Análisis visual, adhesivo y de compresión de la red estructural. - Visual, adhesive and compression analysis of the structural network.
Las pruebas de calidad se llevan a cabo según especificaciones predeterminadas que también incluyen los métodos y esquemas de corte de las muestras resultantes, las alturas de los cortes hechos y todos los tamaños de bloques sometidos a tracción o compresión. Quality tests are carried out according to predetermined specifications which also include the methods and patterns of cutting the resulting samples, the heights of the cuts made and all sizes of blocks subjected to tension or compression.
Los especímenes y muestras se distribuyen de tal forma en cuanto a proporcionar una indicación de todo el volumen de producción posible en el aparato de EBM bajo examen. La validez de los intervalos en los valores de parámetros se verifica realizando una prueba específica. Specimens and samples are distributed in such a way as to provide an indication of the entire production volume possible in the EBM apparatus under examination. The validity of the intervals in the parameter values is verified by carrying out a specific test.
Para resumir lo que se expone en la presente memoria, se proporciona a continuación una tabla que enumera los parámetros críticos por tipo de tema usado (para las operaciones de calentamiento y fusión de partes sólidas, contornos y estructuras porosas, respectivamente). La tabla también muestra los efectos que resultan de una configuración incorrecta de estos parámetros. Como resultado de las pruebas llevadas a cabo, es posible definir los intervalos de validez de todos los parámetros. To summarize what is set forth herein, a table is provided below listing the critical parameters by type of material used (for heating and melting operations of solid parts, contours and porous structures, respectively). The table also shows the effects resulting from incorrect setting of these parameters. As a result of the tests carried out, it is possible to define the validity intervals of all parameters.
Paso 3) Procedimiento de calificación de rendimiento PQ Step 3) PQ Performance Rating Procedure
El procedimiento de PQ final se basa en la verificación de la configuración de los parámetros del proceso y en la confirmación de la capacidad de los mismos, en base a criterios de aceptabilidad preestablecidos. The final PQ procedure is based on the verification of the configuration of the process parameters and the confirmation of their capacity, based on pre-established acceptability criteria.
Por lo tanto, este procedimiento de PQ debería verificar que el proceso de EBM haya sido capaz de producir componentes fundidos que tengan rasgos que cumplan con las disposiciones de los criterios de aceptabilidad de una manera estable y repetible. Therefore, this PQ procedure should verify that the EBM process has been able to produce cast components having features that meet the provisions of the acceptability criteria in a stable and repeatable manner.
Para hacerlo así, se llevan a cabo controles de calidad sobre muestras de los productos obtenidos. To do so, quality controls are carried out on samples of the products obtained.
Tales controles pueden ser por muestreo o sobre los primeros lotes de producción, por ejemplo, los tres primeros lotes, o incluso sobre todos los lotes en el caso de producciones de series limitadas y de alta calidad. Por supuesto, la elección del tipo de muestreo depende de diversos factores que no caen dentro de los principios de la presente invención y por lo tanto se omitirá la descripción de los mismos para evitar entorpecer lo siguiente. Such controls may be by sampling or on the first production batches, for example, the first three batches, or even on all batches in the case of limited series and high quality productions. Of course, the choice of the type of sampling depends on various factors that do not fall within the principles of the present invention and therefore the description of them will be omitted to avoid obstructing the following.
Dado que el proceso de EBM basa su operación principalmente en la creación de un haz de electrones para fundir los polvos metálicos, se establece evaluar las características finales de los polvos fundidos con el fin de verificar la estabilidad de producción del proceso para un número de procesos igual a al menos tres, lo que representa un mínimo de garantía de repetibilidad de las operaciones de fusión. Since the EBM process bases its operation mainly on the creation of an electron beam to melt the metal powders, it is established to evaluate the final characteristics of the melted powders in order to verify the production stability of the process for a number of processes equal to at least three, which represents a minimum guarantee of repeatability of the melting operations.
Los parámetros críticos regulan las características del haz de electrones y determinan la cantidad de energía E liberada sobre la capa de polvo (y, en consecuencia, la corriente de generación y la velocidad del haz de electrones requeridas). También hay parámetros que no son críticos que refinan el paso del haz de electrones para permitir la realización de diferentes geometrías, incluso dentro de un mismo paso de procesamiento. Critical parameters regulate the characteristics of the electron beam and determine the amount of energy E released onto the powder layer (and consequently the required generation current and electron beam velocity). There are also non-critical parameters that refine the electron beam path to allow for different geometries to be realized, even within a single processing step.
Actuando sobre las funciones que modulan el haz de electrones según la longitud de las líneas a ser fundidas, la distancia desde el contorno de la pieza y la presencia o no de una capa fundida en las capas subyacentes, todos factores leídos directamente del archivo .abf cargado al principio del paso de procesamiento (véase la Figura 2), los parámetros que no son críticos se usan para mantener la misma eficiencia del haz de electrones en cualquier área del volumen de construcción y para cualquier geometría realizada. By acting on functions that modulate the electron beam according to the length of the lines to be fused, the distance from the part contour and the presence or not of a fused layer on the underlying layers, all factors read directly from the .abf file loaded at the beginning of the processing step (see Figure 2), non-critical parameters are used to maintain the same electron beam efficiency in any area of the build volume and for any geometry made.
Además, dado que se ha verificado la operación del sistema de EBM por medio del procedimiento de OQ dentro de una ventana de proceso bien determinada, las pruebas proporcionadas por el procedimiento de PQ se llevan a cabo sobre material producido usando parámetros del proceso que caen dentro del campo de uso anterior del aparato y verificables monitorizando los mismos. Furthermore, since the operation of the EBM system has been verified by means of the OQ procedure within a well-defined process window, the tests provided by the PQ procedure are carried out on material produced using process parameters that fall within the previous field of use of the apparatus and can be verified by monitoring them.
De nuevo a modo de ilustración, se desarrollaron siete pruebas para ser ejecutadas para los tres primeros procesos de producción consecutivos (independientemente del tamaño pero pertenecientes a los productos que se pueden fabricar). Again for illustration purposes, seven tests were developed to be run for the first three consecutive production processes (regardless of size but pertaining to products that can be manufactured).
Pues bien, según el método de la presente invención, si los resultados de las pruebas o de las diversas pruebas están dentro de los límites, el proceso se considera bajo control y los productos relacionados se consideran que cumplen con las especificaciones y por ello se certifican. Well, according to the method of the present invention, if the results of the tests or the various tests are within the limits, the process is considered under control and the related products are considered to comply with the specifications and are therefore certified.
De otro modo, se activa una acción correctiva con el fin llevar de vuelta el proceso a las condiciones de operación ideales, compensando todas las derivas. Otherwise, a corrective action is activated in order to bring the process back to ideal operating conditions, compensating for all drifts.
Ventajosamente, la intervención de regulación sobre la energía de generación E del haz 3 del aparato de EBM permite remediar rápidamente más de una deriva que aqueja a más de un parámetro. Operativamente, la regulación de dicha energía de generación del haz de electrones 3 se lleva a cabo regulando la corriente aplicada al filamento de un cañón de generación electrónico 2 del haz en sí mismo. Advantageously, the regulation intervention on the generation energy E of the beam 3 of the EBM apparatus makes it possible to quickly remedy more than one deviation affecting more than one parameter. Operationally, the regulation of said generation energy of the electron beam 3 is carried out by regulating the current applied to the filament of an electron beam generation gun 2 itself.
En esencia, la regulación de la energía de generación E del haz es una corrección aplicada a un único parámetro frente a la desviación de uno o más parámetros del proceso. In essence, beam generation energy regulation E is a correction applied to a single parameter against the deviation of one or more process parameters.
Cualquier corrección o compensación correctiva de las derivas del proceso se lleva a cabo cambiando un único parámetro relacionado que, en este caso, está representado por la energía de aplicación del haz de electrones del aparato de EBM. Any correction or corrective compensation of process drifts is carried out by changing a single related parameter which, in this case, is represented by the application energy of the electron beam of the EBM apparatus.
Se pueden tomar otras acciones opcionales, tales como: Other optional actions may be taken, such as:
- nuevas pruebas de laboratorio para confirmar el paso real de los límites de aceptabilidad; - new laboratory tests to confirm the actual crossing of the acceptability limits;
- verificación de algunas partes de hardware del aparato; - checking some hardware parts of the device;
- verificación de la calibración de los parámetros del proceso críticos; - verification of calibration of critical process parameters;
- verificación de la correcta aplicación de los procedimientos/instrucciones de ejecución/control del proceso (por ejemplo: ejecución del proceso, control del proceso y formación del personal); - verification of the correct application of the procedures/instructions for execution/control of the process (for example: process execution, process control and staff training);
- aumentar la frecuencia de monitorización de los parámetros del proceso críticos para determinar la estabilidad de los mismos a lo largo del tiempo. - increase the frequency of monitoring critical process parameters to determine their stability over time.
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